Диссертация (Вакуумный дистилляционный агрегат с теплонасосным энергоподводом), страница 4

Дистилляционные методы основаны наизменении агрегатного состояния воды и наиболее схожи с природным процессамобразования пресной воды. При нагреве рассола молекулы воды приобретаютэнергию, превышающую силы молекулярного притяжения, и вылетают в паровоепространство. Но коллоиды, взвешенные частицы, бактерии, вирусыибиоорганизмы не имеют такого запаса энергии, обладают большей массой, поэтомупереходят в пар при невысоких давлениях в весьма незначительном количестве.Вместе с паром могут испариться только легколетучие органические соединения, втом числе аммиак и другие.

Некоторое остаточное содержание солей в дистилляте(менее 2 мг/л) обусловлено уносом мельчайших капель рассола с паром [45, 100,124, 128].Мембранная дистилляция относится к способам опреснения с термическимнагревом. Движущей силой процесса разделения служит разность температур и,соответственно, градиент давления паров.

Разделение потоков чистой воды ирассола происходит на поверхности мембраны из гидрофобного полимерногоматериала, обладающего высокой проницаемостью по отношению к паровой фазеи одновременно очень низкой проницаемостью по отношение к жидкой фазе.Выделяют четыре основных варианта реализации процесса, которые различаютсяпо способу формирования поверхности для конденсации пара: контактнаямембранная дистилляция, мембранная дистилляция с паровым пространством(рисунок 7), с газом-носителем, вакуумная мембранная дистилляция. Рядпреимуществ выгодно отличает этот способ: теоретически абсолютная степеньочистки исходной воды от солей и других нелетучих веществ; невысокиетемпературы нагрева (возможна работа при температурах порядка 60 ºС)относительно классической дистилляции; меньшие рабочие давления посравнению с обратным осмосом; компактность; минимальные требования к23предварительной водоподготовке; независимость энергоэффективности и качествапродукта от исходного солесодержания [69, 100].Схема мембранной дистилляцииВ тоже время мембранная дистилляция имеет ряд существенныхнедостатков, которые пока не удается преодолеть.

Для реализации процессаразделения рассола и дистиллята требуется как электроэнергия, так и тепловаяэнергия, которая не всегда доступна. Ограниченный выбор специализированныхмембран, сложность обеспечения повторяемости характеристик мембран при ихпроизводстветакжеявляютсяпричинамипроиграннойконкуренциисальтернативными способами. В настоящее время технология мембраннойдистилляции по-прежнему находится в стадии разработки и исследования [90, 121,127].Дистилляционные установки широко применяются для разделениярастворов в различных областях промышленности (химической, пищевой,металлургической, фармацевтической и др.).

Большое распространение нашли и вобласти водоподготовки, в частности опреснения соленых вод. В дистилляционныхопреснителях к соленой воде подводится большое количество энергии,соизмеримое со скрытой теплотой испарения, а затем от паров дистиллятаотводится примерно такое же количество тепла для их конденсации. Потребное24количествоэнергиидляреализациипроцессазависитотвеличинынедорекуперации тепла, что определяется принципом действия и устройстваконкретной установки [81, 118].Традиционный метод является самым простым способом дистилляциисоленой воды и по сути представляет из себя устройство с двумя аппаратами:парогенератором и конденсатором. Значительным недостатком данного способаявляется высокое энергопотребление.

На предварительный нагрев и последующеевыпаривание 1 кг воды затрачивается более 2400 кДж, более того, требуется подводхолодного теплоносителя для отбора тепла от паров дистиллята. В результатеметод подходит только для опреснения воды в малом количестве; используется вхимических лабораториях, а также быту [78, 128].Дистилляция с мгновенным вскипанием занимает второе место поколичеству установок в мире после обратного осмоса с производительностью, какправило, в диапазоне от 10000 до 40000 м3/сутки, которые широко распространенына Ближнем Востоке, в частности, в Саудовской Аравии, Объединенных АрабскихЭмиратов и Кувейта. Особенности применения определяются прежде всего тем,что эксплуатационные характеристики и достигаемая производительность системс мгновенным вскипанием сегодня недоступны другому типу установок.

Процесспарообразования в такой технологической схеме протекает в свободном объемеиспарительной камеры за счет разности давлений исходной воды, подаваемой вкамеру, и непосредственно давления в камере. Мгновенное вскипание в объемеспособствует: уменьшению отложений накипи на теплообменных поверхностях;получению дистиллята более высокого качества, так как отсутствует пена икрупные пузыри пара; большому выходу образующегося пара.

В совокупности спростым конструктивным исполнением последовательно установленных ступенейперечисленные преимущества позволяют создавать установки очень большойпроизводительности [100, 128].Установки данного типа состоят из ряда последовательно размещенныхиспарительных камер (рисунок 8). Функционирование установки происходит25следующим образом. Посредством вакуумного насоса во всех камерах (ихколичество составляет обычно от 4 до 40) поддерживается последовательно болеенизкое давление и, соответственно, температура кипения воды. Предварительноумягченная морская вода, протекая через трубчатые теплообменники, нагреваетсядо температуры 75…85 °С за счет подвода скрытой теплоты конденсации пара.После чего температура исходной воды повышается до 90…120 °С в головномподогревателе.

Далее, попадая в изолированную камеру (испаритель), часть водыбыстро испаряется, а остальная продолжает движение в следующие камеры.Образующийся пар дистиллята конденсируется, отдавая теплоту конденсациисвежей подпиточной воде. Установки, работающие при более высокихтемпературах нагрева морской воды, обладают большей эффективностью, но этосказывается на интенсивности накипеобразования и коррозии. Все установкиподобного типа требуют предварительной обработки воды и проведениярегламентных по очистки от накипи [111, 124, 129].Схема дистилляционной установки с мгновенным вскипаниемВ связи с потребностью в большом количестве высокопотенциального тепла,строительство дистилляционных установок мгновенно вскипания, прежде всего,связывают с энергообеспечивающим источником. Способ часто используют в26сочетании с источниками выработки электроэнергии (тепловые и атомныеэлектростанции), что делает его энергоэффективным и экономичным.

В противномслучае опреснение многоступенчатой дистилляцией в крупных масштабахэкономически не эффективно [1, 78, 109, 111].Многоступенчатые дистилляционные установки также состоят из рядапоследовательно установленных испарительных камер. Но, в отличие отдистилляции с мгновенным вскипанием, образующийся пар конденсируется втеплообменном аппарате, установленном в объеме следующей камеры (рисунок 9),благодаря чему все тепло вторичного пара первой ступени и часть тепла рассолаиспользуется для образования пара во второй ступени. При этом в первой камереподдерживается достаточно низкая температура кипения 55…65 °С градусов,поэтому могут быть использованы более простые и дешевые способыводоподготовки. Оптимальное количество ступеней 10…20, что определяет болеенизкие капитальные затраты по сравнению с установками мгновенного вскипания[45, 124].Многоступенчатая дистилляция считается более эффективным способом,чем дистилляция с мгновенным вскипанием.

Необратимые потери в установках смгновеннымвскипаниембольшеиз-заособенностейрекуперациитеплаконденсации и большего расхода нагретой воды, что сказывается на увеличениипотерь тепла при циркуляции рассола и затрат электроэнергии. Во избежаниеповышенных потерь тепла испарители выполняют с рециркуляцией рассола [111,129].Типичнаяпроизводительностьмногоступенчатыхдистилляционныхустановок лежит в диапазоне от 600 до 30000 м3/сутки. Многоступенчатаядистилляция массово стала применяться раньше дистилляции с мгновеннымвскипанием, в частности в химической промышленности для концентрации иочистки растворов, кристаллизации.

Тем не менее последняя более распространенаиз-за лучшей интеграции с когенерационными электростанциями [114, 128].27Схема многоступенчатой дистилляционной установкиДистилляция с компрессией пара является наиболее экономичной средиразличных одноступенчатых способов дистилляции. Установки подразделяются нанесколько типов в зависимости от способа сжатия паров дистиллята: механическипосредством компрессора (MVC), термически с помощью парового эжектора, сиспользованием абсорбционных (ADVC) и адсорбционных (ADVC) систем [97,99].Принципиальная схема установки с механической компрессией парапоказана на рисунке 10. Компрессор откачивает пары, образующиеся в процессекипения исходной жидкости, при этом перегрев паров в компрессоре обеспечиваетчасть тепловой энергии, необходимой для работы системы. Сжатый компрессоромпар подается в трубное пространство конденсатора-испарителя, в которомконденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования.

Энергосбережение всистеме обеспечивается также высокой степенью рекуперации тепла потоковдистиллята и насыщенного рассола к потоку исходной воды [45, 128].Установки одноступенчатой дистилляции с механической компрессией пара,вотличиеотдругихтипов,наиболеекомпактны,обладаютмалымимассогабаритными показателями и не требуют внешнего источника нагрева, впротивоположность другим выпарным системам. Компрессор приводится вдействие от электродвигателя, поэтому данный способ подходит для небольших28населенных пунктов, имеющих доступ к электрической сети. Еще однимпреимуществом подобных установок является отсутствие внешнего конденсатораи потребности в охлаждающей воде. Также как и все способы дистилляции,системы с механической компрессией пара обладают очень высокой степеньюочистки, что подтверждается их использованием в составе технологических линийдля производства воды инъекционного качества [104, 96].Схема дистилляционной установки с механической компрессией параК недостаткам дистилляционных установок с механической компрессиейпара относят: относительно высокое энергопотребление (не ниже 7 кВт∙ч/м3 длякрупных систем); соблюдение требований к техническому обслуживанию;необходимость в замене движущихся и нагруженных элементов конструкции(лопатки турбины, валы, уплотнения), что увеличивает эксплуатационные расходыидиктуетнеобходимостьпривлечениявысококвалифицированногообслуживающего персонала [97, 129].Отдельностоитотметитьдистилляционныеустановкинабазепарокомпрессионных тепловых насосов.

В последнее время разработки этоготипа техники активно велись под руководством профессора И.М. Калнина29Принцип действия дистиллятора основан на генерации и рекуперации теплафазовых превращений воды с использованием обратного термодинамическогоцикла теплового насоса, работающего на рабочем веществе малого давления.Сокращениепотребленияэлектроэнергиивпределепропорциональнокоэффициенту преобразования теплового насоса в пределе μ=40 [29, 48,124].Тем не менее в открытом доступе не обнаружено информации оэксплуатации дистилляторов на базе парокомпрессионных тепловых насосов вкачествеопреснительныхустройств.Можнопредположить,чтоихраспространение на бытовом уровне сдерживает высокая начальная стоимость исложные требования к обслуживанию, а также отсутствие синтетических фреоновнизкого давления, удовлетворяющих современным требованиям экологической иэксплуатационной безопасности.

Возможной альтернативой фреонам являютсяуглеводороды, но ограничения, накладываемые стандартами на условия ихиспользования таковы, что углеводороды не могут являться универсальнымвыбором для всех возможных условий применения теплонасосной техники [28, 47].К недостаткам дистилляторов на базе парокомпрессионных тепловыхнасосов следует также отнести сложность конструкции и высокие требования ктехническому персоналу.Многообразиерассмотренныхспособовполученияпреснойводысвидетельствует о том, что ни один из них не является универсальным длямножества условий применения обессоливающей техники.Выбор метода опреснения в каждом конкретном случае обуславливаетсярядом критериев [129]: качество исходной воды; требования к конечному продукту; производительность установки; доступность энергоносителей; климатические условия эксплуатации; способ утилизации концентрата;30 технико-экономическиесоображения(капитальныеиэксплуатационные затраты).Как было показано выше, зачастую основным лимитирующим факторомвыбора того или иного способа опреснения является верхняя границаконцентрации солей в воде.